本发明涉及深部岩体安全监测技术领域，尤其涉及一种基于加速度传感器钢管的深部岩体振动监测系统及其方法。
背景技术
岩体振动是由岩石破裂或流体扰动产生的。广义上的岩体振动可以分为工程生产上的振动和自然产生的岩爆、地震等。工程生产上的振动是由人为生产施工过程中导致岩石破裂产生的，如隧洞爆破开挖、矿山安全生产等。自然产生的岩体振动是由天然应力场的变化引起岩石破裂从而引起孔压变化产生的，如岩爆、地震等。
一大批大型的水利水电工程已经或即将在我国西南高地震烈度地区营建，其中多数以大型或超大型地下洞室群作为主要构筑物。这些水电站一般处在高山峡谷地区，地质环境较为复杂，加上受长年的地质改造，使得该地区的断层和岩体裂隙发育。深埋巨型地下洞室群在高地应力和长期爆破作业的地震荷载作用下，洞室岩体损伤累积，安全事故频发，振动频繁，因此深部岩体稳定性监测成为工程的重点。
振动监测技术无论是在地下工程建设和安全防护上还是在研究地震灾害上都有着非常广泛应用。目前我国振动研究尚处于初级阶段，各大油田矿山的振动监测系统大都从国外引进而且通常只是进行震源定位和震级统计分布成图，鲜有利用振动信号做进一步研究以实时反演地下结构为工程生产提供更为可靠的证据，且通常反演的结构都是反映过去某个时间段的地下结构状态，而不能反映当前的地下结构，这就大大影响了振动监测的实效性。
目前，国内外用于监测深部岩层活动的方法常有测量岩层的变形、位移、压力和应力的一般矿压法，地球物理方法和钻削法等，但测试水平及其准确性均不高。在随着硐室爆破开挖的进行，因地质条件、断面尺寸、施工技术和其他各因素的影响，深部岩体的微破裂及岩爆的发生，易导致支护成本的增加，设备的损毁，甚至硐室的坍塌等问题的发生。因此，提出一种与工程实际相适应、灵敏度高、实时性好的深部岩体振动监测装置尤为急切。
技术实现要素：
本发明的主要目的在于提供一种基于加速度传感器钢管的深部岩体振动监测系统及其方法，旨在有效的监测到深部岩体的振动加速度信号，通过对波形的频谱分析得到应力波在岩体中的传播和衰减规律，实现对深部岩体损伤的监测和地下结构的实时反演。
为实现上述目的，本发明提供一种基于加速度传感器钢管的深部岩体振动监测系统，包括依次连接的加速度传感器钢管、电荷放大器、数据采集器和计算机，其中，
所述加速度传感器钢管内固定有三向加速度传感器，加速度传感器钢管固定于围岩的检测孔中，三向加速度传感器通过铠装低噪声电缆线与电荷放大器连接，电荷放大器通过屏蔽电缆线与数据采集器连接，三向加速度传感器接收原始的振动信号，经铠装低噪声电缆线传送至电荷放大器后经放大，电压信号经屏蔽电缆线传送至数据采集器，数据采集器将接收的信号传递给计算机的信号过滤系统。
优选地，所述加速度传感器钢管设置有多个且呈网状分布，每一加速度传感器钢管中安装有多个三向加速度传感器。
优选地，在待测围岩洞的径向面上间隔相同距离布置多个加速度传感器钢管形成一个钢管单元，同时沿着围岩洞的轴向间隔布置多个钢管单元，以形成一张监测网。
优选地，所述加速度传感器钢管包括套于三向加速度传感器外的传感器安装钢管、多段连接钢管以及位于多段连接钢管两端的保护头和保护帽，其中，传感器安装钢管通过连接头与连接钢管连接，每两连接钢管之间设置一传感器安装钢管，三向加速度传感器的导线从钢管内空挡处穿出与铠装低噪声电缆线连接。
优选地，所述三向加速度传感器的底安装面采用的是与传感器安装钢管内径相同的圆弧，三向加速度传感器与传感器安装钢管为圆弧接触；所述加速度传感器钢管的管内间隙处注满有水泥砂浆。
优选地，所述加速度传感器钢管内按相同间距安装多个三向加速度传感器，且每个三向加速度传感器的导线均设有编号，表示三向加速度传感器的位置及测试方向。
优选地，所述连接钢管和加速度安装钢管外、内径一样，连接头外径和三向加速度传感器的底安装面圆弧直径相同且与连接钢管和加速度安装钢管的内径一致；三向加速度传感器方向与传感器安装钢管上的三维坐标标志一致。
优选地，所述铠装低噪声电缆线包括低噪声电缆线以及套于低噪声电缆线外用于对其进行保护的外部铠甲；所述铠装低噪声电缆线和屏蔽电缆线均采用带铝线圈的双绞铜芯电缆以防止高压电和强磁干扰。
优选地，所述电荷放大器、数据采集器和计算机均携带有供电装置。
本发明进一步提出一种基于上述的基于加速度传感器钢管的深部岩体振动监测系统的监测方法，包括以下步骤：
在待测围岩洞的径向面上间隔相同距离布置多个加速度传感器钢管形成一个钢管单元，同时沿着围岩洞的轴向按一定间隔布置多个钢管单元以形成一张监测网，将所有的加速度传感器钢管均与电荷放大器连接，并依次连接电荷放大器、数据采集器和计算机；
加速度传感器钢管中三向加速度传感器接收原始的振动信号，经铠装低噪声电缆线传送至电荷放大器，电荷放大器将三向加速度传感器输出的微弱电荷信号转化为放大的电压信号，同时又将三向加速度传感器的高阻抗输出转换成低阻抗输出；
放大后的电压信号经屏蔽电缆线传送至数据采集器，数据采集器将接收的信号传递给计算机的信号过滤系统；
计算机将接收到的振动信号过滤，通过对波形的频谱分析得到应力波在岩体中的传播和衰减规律，进而实现该深部岩体损伤的安全监测，同时利用整个监测网的振动信号实时反演地下结构。
本发明提出的基于加速度传感器钢管的深部岩体振动监测系统，具有以下有益效果。
1、本监测系统可高效、快速、简单准确的监测到深部岩体在振动变形下引起的加速度，通过对波形的频谱分析得到应力波在岩体中的传播和衰减规律，进而实现该深部岩体损伤的安全监测，同时利用整个监测网的振动信号实时反演地下结构，为工程生产提供更为可靠的依据。
2、本监测系统利用的加速度传感器钢管按照设计的网络布置图预埋在岩体内，使得监测区域成系统性，同时其耐久性、稳定性好，对三向加速度传感器起到了很好的保护作用，使得监测可以长期有效地进行，大大降低了监测成本。
3、本监测系统使用的铠装低噪声电缆线和屏蔽电缆线，有效地防止高压电和其他设备的强磁干扰，且在复杂的施工条件下，铠甲在爆破飞石区起到很好保护作用。
4、本监测系统使用的电荷放大器、数据采集器和计算机均携带有锂电池，这使得测试系统与现场供电设施独立。
附图说明
图1为本发明基于加速度传感器钢管的深部岩体振动监测系统的径向剖面图；
图2为本发明基于加速度传感器钢管的深部岩体振动监测系统中加速度传感器钢管的网络布置图；
图3为本发明基于加速度传感器钢管的深部岩体振动监测系统中加速度传感器钢管的结构示意图；
图4为本发明基于加速度传感器钢管的深部岩体振动监测系统中连接钢管与传感器安装钢管经连接头连接的示意图；
图5为本发明基于加速度传感器钢管的深部岩体振动监测系统铠装低噪声电缆线与保护帽连接示意图；
图6为本发明基于加速度传感器钢管的深部岩体振动监测系统中传感器安装钢管内三向加速度传感器处的剖面示意图（图左坐标标注于传感器安装钢管管壁上，图右坐标标注于三向加速度传感器上）。
图中，1—加速度传感器钢管，2—铠装低噪声电缆线，3—电荷放大器，4—屏蔽电缆线，5—数据采集器，6—网线，7—计算机，8—围岩，9—水泥砂浆，10—保护头，11—0.7m连接钢管，12—2.5m连接钢管，13—传感器安装钢管，14—连接头，15—1m连接钢管，16—保护帽，17—三向加速度传感器x方向导线，18—三向加速度传感器y方向导线，19—三向加速度传感器z方向导线，21—三向加速度传感器，22—监测孔，23—低噪声电缆线x方向，24—低噪声电缆线y方向，25—低噪声电缆线z方向，26—钢管单元。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明提出一种基于加速度传感器钢管的深部岩体振动监测系统。
参照图1至图6，本优选实施例中，一种基于加速度传感器钢管的深部岩体振动监测系统，包括依次连接的加速度传感器钢管1、电荷放大器3、数据采集器5和计算机7，其中，
加速度传感器钢管1内固定有三向加速度传感器21，加速度传感器钢管1固定于围岩8的检测孔中，三向加速度传感器21通过铠装低噪声电缆线2与电荷放大器3连接，电荷放大器3通过屏蔽电缆线4与数据采集器5连接，三向加速度传感器21接收原始的振动信号，经铠装低噪声电缆线2传送至电荷放大器3后经放大，电压信号经屏蔽电缆线4传送至数据采集器5，数据采集器5将接收的信号传递给计算机7的信号过滤系统。
具体地，加速度传感器钢管1设置有多个且呈网状分布，每一加速度传感器钢管1中安装有多个三向加速度传感器21。加速度传感器钢管1内优选按相同间距安装多个三向加速度传感器21，且每个三向加速度传感器21的导线均设有编号，表示三向加速度传感器21的位置及测试方向。在待测围岩洞的径向面上间隔相同距离布置多个加速度传感器钢管1形成一个钢管单元26，同时沿着围岩洞的轴向间隔布置多个钢管单元26，以形成一张监测网。
本实施例中，在待测围岩洞的径向面上每间隔10m布置一个加速度传感器钢管1，由五个加速度传感器钢管1形成一个钢管单元26，同时沿着围岩洞的轴向每间隔20m布置一个钢管单元26，一共布置五个钢管单元26，从而形成一张监测网。三向加速度传感器21可同时监测三个轴向信号，频率范围0.1~500g，灵敏度5v/g。
具体地，加速度传感器钢管1包括套于三向加速度传感器21外的传感器安装钢管13、多段连接钢管以及位于多段连接钢管两端的保护头10和保护帽16，其中，传感器安装钢管13通过连接头14与连接钢管连接，每两连接钢管之间设置一传感器安装钢管13，三向加速度传感器21的导线从钢管内空挡处穿出与铠装低噪声电缆线2连接。加速度传感器钢管1的总长为10m，包括一个保护头10、一个保护帽16、一节0.7m连接钢管11、一节1m连接钢管15、三节2.5m连接钢管12、四个三向加速度传感器21、四节0.2m传感器安装钢管13、八个连接头14，它们相互之间用连接头14与沉头螺丝按顺序逐节连接，且三向加速度传感器导线17、18、19从钢管内空挡处穿出。
加速度传感器钢管1在安装过程中，先从保护头10处安装，按顺序逐节往后，其中传感器安装钢管13经连接头14与前后连接钢管11（12，15）连接，同时让传感器安装钢管13的三维坐标标志安装在同一方向，以确保加速度传感器钢管1内的四个三向加速度传感器21测试方向一致，保证后期测试的准确性。
进一步地，三向加速度传感器21的底安装面采用的是与传感器安装钢管13内径相同的圆弧，三向加速度传感器21与传感器安装钢管13为圆弧接触，因此，三向加速度传感器21可以有效的接收到来自于测点处传感器安装钢管13的冲击信号。加速度传感器钢管1的管内间隙处注满有水泥砂浆，使得整个加速度传感器钢管1成为一个实体传播介质。
本实施例中，连接钢管和传感器安装钢管的外、内径一样，连接头14外径和三向加速度传感器21的底安装面圆弧直径相同且与连接钢管和加速度安装钢管的内径一致，三向加速度传感器21方向与传感器安装钢管13上的三维坐标标志一致。将三向加速度传感器21安装在传感器安装钢管13内时，必须使传三向加速度感器21方向与传感器安装钢管13上的三维坐标标志一致，以保证在测试时三向加速度传感器21得到x、y和z方向的振动信号。
加速度传感器钢管1上的保护帽16有四个沉孔螺丝孔，将铠装低噪声电缆线2从保护帽16的圆孔中穿过，再将四个螺丝拧紧，使铠装低噪声电缆线2固定在保护帽16上，并将三向加速度传感器x、y、z方向导线17、18、19与铠装低噪声电缆线x、y、z方向23、24、25一一对应连接。
本实施例中，加速度传感器钢管1内的四个三向加速度传感器21按每2.5m间隔布置，且每个三向加速度传感器x、y、z方向导线17、18、19均设有编号，表示三向加速度传感器21的位置及测试方向，该编号应加以保护，以便加速度传感器钢管11预埋岩体后所用数据溯源。
进一步地，铠装低噪声电缆线2包括低噪声电缆线以及套于低噪声电缆线外用于对其进行保护的外部铠甲；铠装低噪声电缆线2和屏蔽电缆线4均采用带铝线圈的双绞铜芯电缆以防止高压电和强磁干扰。电缆线布置在硐室内，需要防爆破产生的飞石、粉尘，以及防高压电和其他设备的强磁干扰。
进一步地，电荷放大器3、数据采集器5和计算机7均携带有供电装置，从而使得本监测系统与现场供电设施独立。
本实施例中，加速度传感器钢管1的连接钢管11、12、15和加速度安装钢管13外径为42mm、内径为40mm，连接头14外径为40mm，三向加速度传感器21的底安装面圆弧直径为40mm，保护帽16的圆孔和铠甲20直径为25mm。
电荷放大器3与三向加速度传感器21配套使用，且尽量将电荷放大器3放在靠近监测孔22的位置，其将三向加速度传感器21输出的微弱电荷信号转化为放大的电压信号，同时又将三向加速度传感器21的高阻抗输出转换成低阻抗输出，其增益可调1-1000mv/unit，频率范围0.3~200k，可调的增益使得三向加速度传感器21能测试到的范围更宽广。
数据采集器5的采样率为1khz~20mhz，通信接口为以太网接口，触发系统可选用多种触发方式，手动触发、内触发、外触发、全通道触发。
计算机7将接收到的振动信号过滤，通过对波形的频谱分析，得到振动信号的特征参数值大小及变化情况，总结出应力波在岩体中的传播和衰减规律，进而实现该深部岩体损伤的安全监测，同时利用整个监测网的振动信号实时反演地下结构。
本基于加速度传感器钢管的深部岩体振动监测系统其使用过程如下。
1、安装加速度传感器钢管1，整个加速度传感器钢管安装从保护头10开始，连接顺序为保护头10、0.7m连接钢管11、连接头14、传感器安装钢管13、连接头14、2.5m连接钢管12、连接头14、传感器安装钢管13、连接头14、2.5m连接钢管12、连接头14、传感器安装钢管13、连接头14、2.5m连接钢管12、连接头14、传感器安装钢管13、连接头14、1m连接钢管15、保护帽16，它们相互之间用沉头螺丝逐节连接，且四个三向加速度传感器21的导线17、18、19从加速度传感器钢管1内空挡处穿出。保护帽16上有四个沉孔螺丝孔，在连接保护帽16之前，将铠装低噪声电缆线2从保护帽16的圆孔中穿过，再将四个沉孔螺丝拧紧，使铠装低噪声电缆线2固定在保护帽16上，如图4所示，并将三向加速度传感器x、y、z方向导线17、18、19与铠装低噪声电缆线x、y、z方向23、24、25一一对应连接，接头处用热缩管加以保护，接着将钢管空隙注满水泥砂浆，最后用沉头螺丝拧紧保护帽16固定在1m连接钢管15上，形成一根完整的加速度传感器钢管1，如图3所示。本实施例中共需25根加速度传感器钢管1。加速度传感器钢管1在安装过程中，让传感器安装钢管13的三维坐标标志在同一方向，以确保加速度传感器钢管1内的四个三向加速度传感器21测试方向一致，保证后期测试的准确性。
2、以选取深部岩体中相邻硐室中间的围岩8作为监测对象，利用独臂钻在待测围岩洞上按图1所示的加速度传感器钢管1网络布置图钻25个ф90mm深10m的监测孔22，其中径向上间隔10m一个监测孔22，以五个监测孔22为一个单元；轴向上间隔20m一个单元，共五个单元。验收孔径、孔深合格后，先用水泥砂浆9灌注填满监测孔22，再将提前准备好的ф42mm长10m的加速度传感器钢管1插入监测孔22内，锚固剂封孔，等水泥砂浆凝固后，加速度传感器钢管1便与围岩8形成了良好的接触，内置三向加速度传感器21便可以有效地接收到从围岩8传来的振动信号。
3、待25根加速度传感器钢管1埋设和灌浆完成后，现场开始布线和连接仪器。将与保护帽16固定的铠装低噪声电缆线2从监测孔22处沿边墙铺设至非爆破区，在此放置电荷放大器3，把铠装低噪声电缆线2和屏蔽电缆线4各通道按照编号顺序与电荷放大器3一一对应连接，再将屏蔽电缆线4引至安全测试区，此处放置数据采集器5和计算机7，屏蔽电缆线4的各导线与数据采集器5通道按顺序一一对应连接，最后通过网线6把数据采集器5连接到计算机7上，如此构成一个完整的监测系统，如图1所示。
4、待监测系统连接准备就绪后，打开电荷放大器3，为了尽可能监测到岩体在振动变形下引起的加速度信号，同时避免过载情况的发生，电荷放大器3各通道增益设置为30mv/unit；将高通滤波分档（hz）定为0.3，低通滤波分档（khz）定为f。电荷放大器3在监测过程中，可根据爆破位置的远近、现场信号的强弱，通过放大器的增益开关和滤波开关进行适当调整，以得到更好的监测效果。
5、打开数据采集仪和计算机7上的瞬态测试分析软件，设置相关采集参数和通道参数。其中，采样频率为100khz，采样长度为1m，触发方式为内触发，测试量为电压，工程单位为mv。
6、仪器设备准备就绪后，将监测通道全部连接打开，等待采集。
当深部岩体内发生岩爆、相近硐室进行爆破开挖以及发生地震时，均会触发振动监测系统。三向加速度传感器21接收原始的振动信号，经铠装低噪声电缆线2传送至电荷放大器3，放大的电压信号经屏蔽电缆线4传送至数据采集器5，数据采集器5将接收的信号传递给计算机7的信号过滤系统，通过对波形的频谱分析，得到振动信号的特征参数值大小及变化情况，总结出应力波在岩体中的传播和衰减规律，进而实现该深部岩体损伤的安全监测，同时利用整个监测网的振动信号实时反演地下结构，为工程生产提供更为可靠的依据。
本发明提出的基于加速度传感器钢管的深部岩体振动监测系统，具有以下有益效果。
1、本监测系统可高效、快速、简单准确的监测到深部岩体在振动变形下引起的加速度，通过对波形的频谱分析得到应力波在岩体中的传播和衰减规律，进而实现该深部岩体损伤的安全监测，同时利用整个监测网的振动信号实时反演地下结构，为工程生产提供更为可靠的依据。
2、本监测系统利用的加速度传感器钢管按照设计的网络布置图预埋在岩体内，使得监测区域成系统性，同时其耐久性、稳定性好，对三向加速度传感器21起到了很好的保护作用，使得监测可以长期有效地进行，大大降低了监测成本。
3、本监测系统使用的铠装低噪声电缆线2和屏蔽电缆线4，有效地防止高压电和其他设备的强磁干扰，且在复杂的施工条件下，铠甲在爆破飞石区起到很好保护作用。
4、本监测系统使用的电荷放大器3、数据采集器5和计算机7均携带有锂电池，这使得测试系统与现场供电设施独立。
本发明进一步提出一种基于加速度传感器钢管的深部岩体振动监测系统的监测方法。
本优选实施例中，一种基于加速度传感器钢管的深部岩体振动监测系统的监测方法，包括以下步骤：
步骤s10，在待测围岩洞的径向面上间隔相同距离布置多个加速度传感器钢管形成一个钢管单元，同时沿着围岩洞的轴向按一定间隔布置多个钢管单元以形成一张监测网，将所有的加速度传感器钢管均与电荷放大器连接，并依次连接电荷放大器、数据采集器和计算机；
步骤s20，加速度传感器钢管中三向加速度传感器接收原始的振动信号，经铠装低噪声电缆线传送至电荷放大器，电荷放大器将三向加速度传感器输出的微弱电荷信号转化为放大的电压信号，同时又将三向加速度传感器的高阻抗输出转换成低阻抗输出；
步骤s30，放大后的电压信号经屏蔽电缆线传送至数据采集器，数据采集器将接收的信号传递给计算机的信号过滤系统；
步骤s40，计算机将接收到的振动信号过滤，通过对波形的频谱分析得到应力波在岩体中的传播和衰减规律，进而实现该深部岩体损伤的安全监测，同时利用整个监测网的振动信号实时反演地下结构。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。